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氬氣生產及精制設施設計(design of argon production and purification facilities)

在用深冷分離方法生產氧、氮的同時制取氬氣并對其進行精制的設施設計。氬氣的生產及精制設施通常設在氧氣站內。其設計內容主要包括：氬氣的用量、生產工藝流程、設備選用和布置、氬氣充瓶。

氬氣的性質、用途和用量 氬在常溫常壓下為無色、無味、無嗅的氣體，在空氣中體積含量為0．932％；分子量為39．95，密度為1．784kg／cm³，沸點為87．291K(在161．325kPa時)。氬氣為惰性氣體，其化學性質不活潑，不燃燒，也不助燃。

氬氣在冶金工業中，用作稀有金屬冶煉以及半導體材料硅、鍺精煉和單晶制備的環境氣氛，在煉鋼、爐外精煉和連鑄生產中往鋼水包吹氬攪拌、調溫，20世紀60年代發展起來的氬氧煉鋼法，開拓了不銹鋼的冶煉工藝。此外，氬作為保護氣體還大量用于鋁、鎂、不銹鋼的焊接以及用于電子工業等。

氬氣在鋼鐵廠的用量，可按氬氣平衡表中各用戶小時平均用氬量的合計值并考慮約5％損耗后的總量確定。在用戶的小時平均用氬量的計算公式(見氧氣站設計)中，各用戶的用氬單耗為：煉鋼每噸鋼約為0．1m³；連鑄每噸鋼約為0．2～0．35m³；氬氧煉鋼每噸鋼約為8～15m³。

生產工藝流程 從空分設備的主精餾上塔適當部位抽出富氬餾分(其中含氬8％～10％，其余為氧及氮)引入粗氬塔，在粗氬塔中精餾后得到氬含量約為95％的粗氬。粗氬出粗氬塔后經加壓送入接觸爐，入爐前加入適量氫氣，在爐中催化劑的作用下，粗氬中的氧與氫化合生成水，同時產生大量熱量。出爐的灼熱氣體經冷卻、水分離及干燥后，送往精氬塔，在精氬塔中將氬中的氮除去，塔底得到99．99％或更高純度的液態純氬產品并經管道導至儲槽。另外。20世紀80年代在空分設備上已有只用精餾，不需用氫氣除氧生產精氬的設備。產品氬的輸配，一般有三種型式：(1)液氬經低溫泵加壓到1．5～3．0MPa，再經汽化器汽化后由管道輸往用戶，管路中設置氣體儲罐以調劑負荷波動。(2)液氬從儲槽直接裝入低溫槽車運往用戶。(3)對不固定的零星用戶及向市場供應，氣態氬用膜式壓縮機，液態氬用高壓低溫泵加壓到15MPa汽化后去充填臺充瓶供應。

氬的生產、精制及輸配過程見圖1。

設備選用和布置 氬的生產及精制設備是隨空分設備配套，根據空分設備的原料空氣量和氬的提取效率(提取效率與空分設備的流程和制造水平有關)來確定氬的生產和精制設備的能力。在不同的提取效率下的氬氣產量(m³／h)約為：6000(指氧氣產量，下同)空分設備為90～170，10000空分設備為190～320，30000空分設備約為1000。因此，在確定氧氣站生產規模及選用空分設備時，還要根據全廠氬氣用量選用合適的氬氣生產和精制設備。氬的生產及精制設備中的粗氬塔及精氬塔，由于需要冷源，必須設置在空分冷箱內或單獨的冷箱內。從粗氬壓縮機到干燥器一系列設備，一般都集中在空分車間外側房間(凈化間)內。其中采用氫氣進行凈化的接觸爐的布置和電氣設施的安全要求，應符合有關規程、規范的規定。

氬氣充瓶 當用鋼瓶盛裝高純氬氣時，為了防止鋼瓶內壁有積銹、水汽及其他雜質對氬氣的污染，降低產品質量，要求對鋼瓶在未充氣之前進行處理。處理的一般程序見圖2。

鋼瓶內壁磨光除銹，一般采用機械方法打磨，并預抽真空，目的是檢查全系統的密閉性。鋼瓶的干燥方法，可以用蒸汽、紅外線或其它熱源烘烤，并在干燥的同時抽真空。鋼瓶的冷卻是在空氣中自然冷卻。達到預定的真空度后，往鋼瓶充入高純氬清洗，再用火花檢測和取樣分析進行檢驗。氬氣充瓶間和瓶庫，可與氧氣充瓶及瓶庫合建在一個建筑物內或單獨分建。當有高純氬充瓶時，還應有鋼瓶處理所需的打磨、烘烤、分析等房間。